超疏水與自清潔材料研究

..超疏水-自清潔材料研究摘要超疏水-自清潔材料是外表穩(wěn)定接觸角要大于150°，滾動(dòng)接觸角小于10°的特殊材料。由于超疏水外表具有自清潔、防黏附、防雪黏等功能,在許多領(lǐng)域中用途廣泛,有關(guān)超疏水外表制備和理論研究成為研究的熱點(diǎn)。本文通過(guò)對(duì)超疏水-自清潔材料原理、制備、應(yīng)用及目前存在的問(wèn)題等方面開展研究，綜述了近年來(lái)超疏水理論的新進(jìn)展，對(duì)超疏水-自清潔材料開展方向進(jìn)展了展望。關(guān)鍵詞：超疏水自清潔接觸角滾動(dòng)角目錄TOC\o"1-2"\h\z\u1研究背景31.1背景31.2研究目的：31.3理論意義：31.4現(xiàn)實(shí)價(jià)值：31.5研究現(xiàn)狀與開展動(dòng)態(tài)32研究容32.1研究思路32.2可行性分析32.3實(shí)施方案33研究方法34相關(guān)分析34.1超疏水外表的主要特點(diǎn)34.2超疏水外表制備34.3粗糙外表分類34.4超疏水外表主要制備方法介紹35研究結(jié)論35.1應(yīng)用35.2開展方向35.3主要問(wèn)題35.4建議36參考文獻(xiàn)：37致錯(cuò)誤！未定義書簽。1研究背景1.1背景近年來(lái)，植物葉外表的超疏水現(xiàn)象引起了人們的關(guān)注。所謂植物超疏水能力，就是植物葉面具有顯著的疏水，脫附，防粘，自清潔功能等。荷花"出淤泥而不染〞就是因?yàn)槠渫獗砭哂幸粚映杷∧ぃ軌蚴蛊渚哂凶郧鍧嵉墓δ?。科學(xué)家通過(guò)對(duì)超疏水的荷葉外表進(jìn)展觀察，他們發(fā)現(xiàn)，荷葉外表微納雙重構(gòu)造是引起荷葉外表超疏水性能的根本原因。不只是荷花上有，昆蟲的足上也有。比方水黽，蚊子都能在水上行走而不劃破水面這就是因?yàn)槠渖厦娴某杷牧稀Ｊ茏匀唤绯杷F(xiàn)象的啟發(fā)，科學(xué)家在超疏水材料領(lǐng)域進(jìn)展了不懈的探索。目前，一般有兩種方法來(lái)制備超疏水材料：一種是在粗糙外表修飾低外表能物質(zhì)；另一種是在疏水材料外表構(gòu)建粗糙構(gòu)造。由于超疏水材料獨(dú)特的外表特性，使其可廣泛應(yīng)用：首先，可以自行清潔需要干凈的地方；還可以放在金屬外表防止水的腐蝕生銹；第三，基于對(duì)昆蟲的研究我們還可以使水上飛行成為可能，在船的外表加上超疏水膜減小阻力節(jié)省能源。因此超疏水材料在現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)和生活中具有廣闊的應(yīng)用前景?；诖?，我們小組對(duì)于超疏水材料展開了研究。1.2研究目的：〔1〕通過(guò)網(wǎng)絡(luò)、書籍、雜志等多種途徑得到大量關(guān)于超疏水、自清潔方面的最新文獻(xiàn)；〔2〕歸納整理所得文獻(xiàn)，得到詳實(shí)清晰的數(shù)據(jù)、資料以及各方成果；〔3〕將整理好的數(shù)據(jù)資料等綜合成文，最終形成一篇綜述。1.3理論意義：〔1通過(guò)整理文獻(xiàn)使超疏水、自清潔領(lǐng)域已開展、得到的成果有條理地、深刻清晰的呈現(xiàn)給各界學(xué)者，使近年來(lái)超疏水、自清潔領(lǐng)域的開展得到綜合歸納；〔2〕通過(guò)關(guān)注超疏水、自清潔領(lǐng)域研究的最新動(dòng)態(tài)使讀者掌握現(xiàn)今該領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀及開展趨勢(shì)；〔3〕通過(guò)形成綜述使更多學(xué)者了解超疏水與自清潔的原理以及該領(lǐng)域的開展程度，同時(shí)提供超疏水自清潔材料的多種制備原理，并激發(fā)更多學(xué)者對(duì)該領(lǐng)域的研究熱情；〔4〕通過(guò)對(duì)過(guò)去與現(xiàn)在的分析與學(xué)習(xí)，發(fā)現(xiàn)未來(lái)超疏水領(lǐng)域更廣闊的開展前景，引導(dǎo)各界學(xué)者積極展望其將來(lái)巨大的開展?jié)摿Α?.4現(xiàn)實(shí)價(jià)值：〔1〕使超疏水、自清潔領(lǐng)域現(xiàn)階段已有成果得以總結(jié)；〔2〕呈現(xiàn)超疏水、自清潔領(lǐng)域研究的最新動(dòng)態(tài)供研究者查閱；〔3〕形成包括超疏水材料的原理、實(shí)驗(yàn)、制備原理、應(yīng)用價(jià)值和實(shí)踐意義等全方面的綜述，使已研究者與未研究者皆可通過(guò)該綜述了解該領(lǐng)域、激發(fā)興趣。1.5研究現(xiàn)狀與開展動(dòng)態(tài)研發(fā)具有抗菌和自凈化功能的自清潔材料對(duì)保護(hù)環(huán)境和實(shí)現(xiàn)可持續(xù)開展具有重要意義,這類新型功能材料的使用面極廣,具有廣闊的開展和應(yīng)用前景。但是,目前自清潔材料的產(chǎn)業(yè)化受到了一些技術(shù)上的制約:其在可見光下的光催化效率太低,TiO2膜的大面積制備技術(shù)也不夠成熟,自清潔性能的持久性還有待提高等。今后的自清潔材料將會(huì)朝著光催化效率更高,自清潔性能更穩(wěn)定的方向開展。同時(shí),自清潔材料的應(yīng)用領(lǐng)域還可以不斷的拓寬,如空氣凈化、污水處理、光催化反響器和太陽(yáng)能電池組件等。只有通過(guò)不斷的研究和探索,才能更大的發(fā)揮光催化自干凈材料的作用,自清潔材料色彩豐富,飾面靈活多樣,自重輕,平安可靠,正在逐漸替代傳統(tǒng)材料。同時(shí)自清潔材料也是國(guó)家竭力倡導(dǎo)推廣的材料，例如：我國(guó)目前正處于城鎮(zhèn)化建立頂峰期,高品質(zhì)外墻涂料有廣闊的需求空間和開展?jié)摿?。住宅產(chǎn)業(yè)化和建筑節(jié)能的實(shí)施也對(duì)外墻涂料的推廣應(yīng)用起到巨大的推動(dòng)作用。傳統(tǒng)涂層耐沾污能力缺乏是外墻涂料普遍存在的共性問(wèn)題,也是制約我國(guó)外墻涂料推廣應(yīng)用的突出技術(shù)難題。外墻飾面被污染,大大影響了建筑的美觀性和耐久性。人們一直期望開發(fā)不易附著污染或者使附著污染物能借助于雨水、風(fēng)力等外界自然條件被去除的自清潔涂料。今后的自清潔材料將會(huì)朝著更高光催化效率和更穩(wěn)定的自清潔性能方向開展。而且會(huì)隨著相關(guān)技術(shù)的不斷成熟和社會(huì)環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，成為人們生活中必不可少的新型綠色產(chǎn)品。2研究容2.1研究思路研究方案對(duì)于高分子材料首先進(jìn)展初步了解，查閱有關(guān)高分子材料定義、開展現(xiàn)狀、實(shí)際應(yīng)用價(jià)值、前景展望等。再對(duì)于超疏水、自清潔等詳細(xì)分類進(jìn)展深入探究，了解其原理、應(yīng)用、開展延伸等。最后根據(jù)研究結(jié)果，整理形成論文。2.2可行性分析〔1〕高分子方面根本知識(shí)與生活聯(lián)系較為嚴(yán)密，對(duì)于理論可以較快有大致了解。〔2〕擁有專業(yè)負(fù)責(zé)的導(dǎo)師對(duì)此次研究進(jìn)展指導(dǎo)，解決組員在研究過(guò)程中遇到的問(wèn)題，指導(dǎo)研究方向?！?〕組員對(duì)此次研究容有興趣，能夠積極開展研究?！?〕實(shí)驗(yàn)方面，對(duì)接基地實(shí)驗(yàn)室有一定硬件根底，可以進(jìn)展試驗(yàn)。2.3實(shí)施方案〔1〕利用暑假時(shí)間廣泛地查閱文獻(xiàn)，學(xué)習(xí)其根本原理，熟知一些常用專業(yè)詞匯，了解當(dāng)前超疏水、自清潔材料的研究現(xiàn)狀，并對(duì)最新成果的制備方法和疏水、清潔原理進(jìn)展學(xué)習(xí)，考慮其在生活中的應(yīng)用；同時(shí)，暑假期間會(huì)持續(xù)關(guān)注該領(lǐng)域的最新動(dòng)態(tài)，利用新聞等渠道獲取最新信息?！?〕開學(xué)后統(tǒng)籌時(shí)間，抽空查閱文獻(xiàn)資料，繼續(xù)完善知識(shí)儲(chǔ)藏。利用學(xué)校見面的時(shí)機(jī)，組員之間互相分享閱讀成果，相互補(bǔ)充；同時(shí)聯(lián)系科技大學(xué)材料學(xué)院，在根本知識(shí)掌握充足后準(zhǔn)備進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室，對(duì)超疏水、自清潔材料進(jìn)展研究，包括膜制備、外表接觸角測(cè)量等等；期間加強(qiáng)與導(dǎo)師的聯(lián)絡(luò)，及時(shí)向?qū)煼从抽喿x文獻(xiàn)時(shí)遇到的疑難問(wèn)題。〔3〕在充分了解超疏水、自清潔材料研究進(jìn)展，制備原理，并參與相關(guān)實(shí)驗(yàn)后，著手開場(chǎng)撰寫論文，準(zhǔn)備結(jié)題工作。3研究方法〔1〕文獻(xiàn)資料法：查閱相關(guān)資料，了解超疏水材料最新開展動(dòng)向?！?〕實(shí)驗(yàn)法：聯(lián)系軟控中心與科技大學(xué)，參與相關(guān)實(shí)驗(yàn)〔如膜外表接觸角觀測(cè)、膜制備等等〕。4相關(guān)分析4.1超疏水外表的主要特點(diǎn)具有微米和納米尺度的粗糙構(gòu)造和外表蠟狀物。微米與納米相結(jié)合的構(gòu)造可以產(chǎn)生較大的接觸角和較小的滾動(dòng)角。外表化學(xué)組成與粗糙構(gòu)造相結(jié)合成為仿生超疏水外表的重要特點(diǎn)。4.2超疏水外表制備目前主要通過(guò)兩種方法來(lái)制備超疏水外表：在疏水材料(接觸角大于90°)外表構(gòu)建粗糙構(gòu)造；在粗糙外表修飾低外表能的物質(zhì)。具體的制備方法如下：相別離或自組裝法化學(xué)沉積或電沉積法溶膠-凝膠法電紡絲法碳納米管法以上方法可得到粗糙外表,通過(guò)低外表能物質(zhì)外表修飾后得到超疏水外表。4.3粗糙外表分類〔1〕規(guī)那么的粗糙外表(也稱為人為設(shè)計(jì)的粗糙外表)、〔2〕無(wú)規(guī)那么粗糙外表〔3〕介于兩者之間的分形構(gòu)造外表。4.4超疏水外表主要制備方法介紹4.4.1一種多尺度仿生超疏水外表制備：納米二氧化硅是一種大規(guī)模生產(chǎn)的納米填料,在塑料、橡膠制品中廣泛應(yīng)用于提高機(jī)械性能。通過(guò)傳統(tǒng)的機(jī)械處理和分散納米二氧化硅的方法在金屬外表制備具有微-納米二級(jí)構(gòu)造的類荷葉的超疏水外表。噴砂粗糙化處理的鋁片經(jīng)過(guò)植入納米二氧化硅和外表修飾后能獲得與荷葉外表構(gòu)造、性能相似的超疏水外表:靜止接觸角高達(dá)173°,對(duì)于6.5μL的水滴傾斜2.5°即可滾動(dòng),本方法簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)大面積制品的制作。4.4.2以砂紙為模板制作聚合物超疏水外表以不同型號(hào)的金相砂紙為模板,通過(guò)澆注成型或熱壓成型技術(shù),在聚合物外表形成不同粗糙度的構(gòu)造。以不同型號(hào)的砂紙為模板可以制備不同粗糙度的聚合物固體外表。砂紙的磨料顆粒形狀不規(guī)那么,分布雜亂,與膠粘劑共同形成了微米2納米的粗糙構(gòu)造，這些構(gòu)造有效地提高了聚合物外表與水的接觸角。不同型號(hào)砂紙的粗糙度有較明顯的差異，砂紙復(fù)制外表的接觸角隨粗糙度的增大(砂紙磨料粒徑減小)而提高。4.4.3采用靜電紡絲技術(shù)構(gòu)筑粗糙外表采用靜電紡絲技術(shù)構(gòu)筑粗糙外表，再使用廉價(jià)的低外表能物質(zhì)硅油在煅燒過(guò)程中同步修飾，制備出接觸角大于150°滾動(dòng)角小于5°的TiO超疏水外表。這種超疏水的TiO材料可被設(shè)計(jì)運(yùn)用于防水織物、無(wú)損失液體運(yùn)輸、微流體等領(lǐng)域。4.4.4靜電噴涂法制超疏水外表采用聚苯乙烯(Ps)的Ⅳ二甲基甲酰胺(DMF)溶液為原料，通過(guò)靜電噴涂的方法，制備了具有微一納米復(fù)合構(gòu)造的聚苯乙烯膜．通過(guò)調(diào)節(jié)Ps的分子量及溶液的濃度，得到了不同的構(gòu)造、浸潤(rùn)性及吸附性的外表。4.4.5溶膠-凝膠法溶膠-膠法在玻璃外表形成粗糙度適宜的SiO薄膜，再通過(guò)白組裝將OTS鍵合到SiO薄膜外表，制備出了超疏水外表材料。靜態(tài)接觸角為156。，滑動(dòng)角小于5。5研究結(jié)論5.1應(yīng)用〔1〕有機(jī)硅樹脂類納米涂料涂在基材外表，制得自清潔外表。這種產(chǎn)品主要應(yīng)用于汽車的前后風(fēng)擋玻璃、側(cè)風(fēng)擋玻璃、后視鏡的外表，保證雨天玻璃不掛水視線良好。而且很多汽車腳墊地毯用水沖洗不易曬干，如果處理后沖洗就不怕濕，因?yàn)橥獗硇纬傻募{米保護(hù)膜油水不沾，輕輕甩一下便可使用。〔2〕納米二氧化鈦型超親水自潔涂料。聯(lián)系一下中國(guó)的現(xiàn)實(shí)背景，我們可以得知建筑物外立面最大的污染源是粉塵污染，所以建筑物防污首要的是防止灰塵粘附，而如果選取代表性的石炭灰污染物進(jìn)展實(shí)驗(yàn)〔使石炭灰附著基材后用噴水瓶噴水，觀察水的接觸角與石炭灰的除去性的關(guān)系〕，我們可以得出結(jié)論：水滴接觸角越小〔即超親水性〕越不容易污染，而且容易脫落。5.2開展方向〔1〕蓮花效應(yīng)實(shí)質(zhì)為既疏水也疏油的超雙疏效應(yīng)，各種紡織材料〔棉、麻、絲、毛、絨、混紡、化纖等〕等經(jīng)處理后不僅顯示出卓越的疏水疏油性能〔包括蔬菜瓜汁、墨水、醬油等各種物質(zhì)〕，而且不改變?cè)锌椢锏母鞣N性能〔纖維強(qiáng)度、染料親和性、耐洗滌性、透氣性、皮膚親和性、免熨性等〕，甚至還增加了殺菌、防輻射、防霉等特殊效果。可以顯著減少洗滌劑的使用〔過(guò)量使用洗滌劑在很長(zhǎng)一段時(shí)間都是我國(guó)水華頻發(fā)的原因之一〕和水資源的浪費(fèi)?！?〕當(dāng)某種材料和水的接觸角〔接觸角表示某種液體對(duì)于某種材料或者外表的潤(rùn)濕性能，當(dāng)接觸角為0度時(shí)，表示液體能完全的濕潤(rùn)固體外表；當(dāng)接觸角為180度時(shí)，代表液體完全不能濕潤(rùn)固體外表?！辰频竭_(dá)180°，那么這種材料就有不會(huì)被水打濕的特性，如果該材料的密度遠(yuǎn)小于水，那么它就可以一直漂浮在水面上。像馬航空難中的黑匣子，沉到海底得到了短暫的穩(wěn)定，而卻增大了搜索難度。如果是浮在水面上的，在一定圍釋放出信號(hào)，就可以降低搜索難度?！?〕在文物打撈工作方面，如果在沉在海底的文物涂抹超疏水涂料，就可以減緩海水侵蝕速度，為打撈爭(zhēng)取時(shí)間。5.3主要問(wèn)題〔1〕超疏水自潔涂料分為有機(jī)硅樹脂類納米涂料和氟碳型納米涂料。有機(jī)硅樹脂類納米涂料〔如自潔涂料、疏水納米自潔玻璃〕，缺點(diǎn)是附著性差，不耐摩擦，壽命短，而且不可防油〔戶外的空氣里面是含有油分的，特別是一些大城市以及工業(yè)區(qū)，因?yàn)槠嚭凸S排出的尾氣是含有油分的〕。氟碳型納米涂料附著性極強(qiáng)，可以廣泛用在基材如玻璃瓷，木材，石材和混凝土上，缺點(diǎn)是價(jià)格較高。對(duì)于主要成分是二氧化鈦〔TiO2〕的易潔涂料，優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格廉價(jià)，缺點(diǎn)是必須有紫外線照射，而且附著性同樣不佳?！?〕目前自清潔材料的產(chǎn)業(yè)化受到了一些技術(shù)上的制約:其在可見光下的光催化效率太低,TiO2膜的大面積制備技術(shù)也不夠成熟,自清潔性能的持久性還有待提高等。5.4建議研發(fā)具有抗菌和自凈化功能的自清潔材料對(duì)保護(hù)環(huán)境和實(shí)現(xiàn)可持續(xù)開展具有重要意義，這類新型功能材料的使用面極廣，具有廣闊的開展和應(yīng)用前景。但是目前自清潔材料的產(chǎn)業(yè)化受到了一些技術(shù)上的制約。今后的自清潔材料將會(huì)朝著光催化效率更高，自清潔性能更穩(wěn)定的方向開展。同時(shí)，自清潔材料的應(yīng)用領(lǐng)域還可以不斷的拓寬，如空氣凈化、污水處理、光催化反響器和太陽(yáng)能電池組件等。只有通過(guò)不斷的探索，才能更大的發(fā)揮光催化自清潔材料的作用，使它能滿足人們對(duì)較高生活質(zhì)量的需求。今后的自清潔材料將會(huì)朝著更高光催化效率和更穩(wěn)定的自清潔性能方向開展。而且會(huì)